Gasturbine mit Wärmerückwinnungsdampfgenerator zur Kühlung der Brennkammer, dann zur Einspritzung abwärts der Verbrennungzone

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Kühlung der thermisch hochbeanspruchten Aggregate einer Gasturbine wird eine Dampfmenge (31, 32) eingesetzt, welche zuerst eine Turbine (3, 5) kühlt, anschliessend wird dieselbe Dampfmenge in eine Brennkammer (2, 4) geführt. Nach Kühlung dieser Brennkammer wird diese Dampfmenge in die Ausbrandzone der betreffenden Brennkammer eingeleitet. Hierdurch wird durch diese Einleitung die auf niedrige NOx-Emissionen ausgelegte Verbrennung der betreffenden Brennkammer nicht tangiert; darüber hinaus lässt sich mit dieser eingeleiteten Dampfmenge die Ausbrandzone auf Minimierung der übrigen Schadstoff-Emissionen moderieren.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Es ist üblich, zur Kühlung von thermisch hochbelasteten Aggregaten einer Gasturbogruppe, beispielsweise einer Brennkammer, Druckluft einzusetzen, welche intermediär oder nach erfolgter Kompression zu diesem Zweck abgezweigt wird. Nun ist es aber so, dass in modernen Gasturbinen zur Erzielung einer schadstoffarmen Verbrennung bei maximiertem Wirkungsgrad der Brennstoff mit möglichst der gesamten Verdichterluft vorgemischt werden sollte. Luftverluste, wie sie bei den bekanntgewordenen Luftkühlungen der thermisch hochbelasteten Aggregate entstehen, sind deshalb zu vermeiden. Eine weitere Problematik bei solchen Luftkühlungen besteht darin, dass die thermisch verbrauchte Luft jeweils an passender Stelle in den Turbinenprozess rückgeführt werden muss, wobei eine Luftmenge, welche beispielsweise die Turbine gekühlt hat, dann nicht ohne weiteres als Kühlmedium in die Brennkammer geleitet werden kann, da dort regelmässig höhere Drücke vorherrschen. Demnach geht bei der Rückführung dieser Kühlluft in den Turbinenprozess immer Kühlpotential verloren, das mit anderen Mitteln ersetzt werden muss.

[0003] Diese Ausgangslage akzentuiert sich zum Beispiel, wenn die Gasturbogruppe für eine sequentielle Befeuerung ausgelegt ist.

[0004] Bei Gasturbogruppen, die in Kombination mit einem nachgeschalteten Dampfkreislauf betrieben werden, ist man dazu übergangen, ein ohnehin zur Verfügung stehender Dampf für die Kühlung der thermisch hochbelasteten Aggregate einzusetzen, ausgehend von der Tatsache, dass die zur Verfügung stehende Abwärme aus einer letzten Gasturbine mehr Dampf zu erzeugen vermag, als zum Betrieb der zum Dampfkreislauf gehörenden Dampfturbine notwendig ist. Es ist bekanntgeworden, diesen zur freien Verfügung stehenden Dampf zur Leistungssteigerung in den Gasturbinenprozess einzuführen. Dabei wird aus thermodynamischen und strömungstechnischen Ueberlegungen darauf geachtet, dass die Beimischung mit der Verbrennungsluft die Verbrennung als solche nicht beeinträchtigen kann. Dies führt aber regelmässig zu komplizierten Eindüsungstechniken, die nicht zuletzt mit der Gemischbildung zweier in Temperatur, Druck und Verhalten unterschiedlicher Medien im Zusammenhang stehen. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass hier die Brennstoffregelung äusserst diffizil zu handhaben ist.

Darstellung der Erfindung

[0005] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die freie zur Verfügung stehende Dampfmenge weiternutzend zu verwenden, dergestalt, dass deren anschliessende Zumischung an passender Stelle in die Gasturbogruppe die Verbrennung in der Brennkammer nicht zu beeinträchtigt vermag.

[0006] Erfindungsgemäss soll die Kühlung der Brennkammer ausschliesslich mit einer Dampfmenge durchgeführt werden. Da dieser Dampf aus obigen Ueberlegungen frei zur Verfügung steht, soll er nicht in herkömmlicher Weise im Kreislauf geführt werden, sondern nach erfolgtem Kühlungszweck an passender Stelle in die Heissgasströmung der vorgängig gekühlten Brennkammer zugemischt werden, womit sich unter anderen die Konfiguration der Kühlelemente gegenüber einem an sich auch denkbaren geschlossenen Kühldampfkreislauf stark vereinfacht, da Dampfverluste bei dem erfindungsgemässen Vorschlag in einem gewissen Umfang in Kauf genommen werden können.

[0007] Die passende Stelle für die Zumischung der vorgängig zu Kühlzwecken eingesetzten Dampfmenge steht in einer Interdependenz mit dem anvisierten Ziel, die Verbrennung mit minimierten Schadstoff-Emissionen, insbesondere was die NOx-Emissionen betrifft, zu bewerkstelligen. Durch eine magere Verbrennung sind niedrige NOx-Emissionen zu erwarten, so dass die Zumischung der vorgängig zu Kühlzwecken eingesetzten Dampfmenge einerseits losgelöst von dieser Verbrennung, andererseits nach erfolgtem vollständigem Ausbrand erfolgen soll, so dass damit auch die CO- und UHC-Emissionen minimiert werden können. Diese passende Stelle ist im letzten Drittel einer solchen Brennkammer lokalisiert. Die vorgeschlagene Dampfkühlung kann selbstverständlich bei jeder Brennkammer zur Anwendung gelangen; hier erfolgen dann die Korrekturen für eine optimale Eindüsung von Fall zu Fall durch die Bestimmung der hierzu passenden Stelle in Abhängigkeit zur Ausdehnung der Ausbrandzone der betreffenden Brennkammer.

[0008] Diese Zumischung kann dabei homogen über den Umfang verteilt erfolgen, da der Dampf durch die erfolgte Kühlung bereits umfangsmässig verteilt vorliegt. Ausserdem kann hier durch eine einfache Auslegung der Eindüsungsöffnungen stromauf der Turbine jenes optimale Brennkammeraustrittsprofil für deren Beaufschlagung erzeugt werden.

[0009] Die Kühlung lässt sich in Gleichstrom oder Gegenstrom zur Heissgasströmung durchführen. Eine Kombination der beiden Arten ist auch möglich. Des weiteren ist es ohne weiteres möglich, vorgängig der Kühlung der Brennkammer die Dampfmenge zu Kühlzwecken im geschlossenen Strömungspfad durch die Turbine strömen zu lassen. Dies ist hier nur möglich, weil die Druckverhältnisse zwischen Turbine und Dampfmenge eine solche Führung zulassen.

[0010] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenstellung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

[0011] Im folgenden wird anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden. Die Strömungrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0012] Die einzige Figur zweigt eine Kombinierte Gas/Dampf-Anlage (Kombianlage) mit der Führung einer Dampfmenge zu Kühlzwecken der thermisch belasteten resp. hochbelasteten Aggregate.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

[0013] Die Figur zeigt eine Kombianlage, welche aus einer Gasturbogruppe und einem nachgeschalteten Dampfkreislauf 7 besteht. Die Gasturbogruppe selbst besteht aus einer Verdichtereinheit 1, einer der Verdichtereinheit 1 nachgeschalteten ersten Brennkammer 2, im folgenden HD-Brennkammer genannt, einer stromab dieser Brennkammer wirkenden HD-Turbine 3, einer der HD-Turbine nachgeschalteten zweiten Brennkammer 4, im folgenden ND-Brennkammer genannt, und einer stromab dieser Brennkammer wirkenden ND-Turbine 5. Ein Generator 6 sorgt für die Stromerzeugung. Die von der Verdichtereinheit 1 angesaugte Luft 16 wird nach erfolgter Kompression als verdichtete Luft 8 in die HD-Brennkammer 2 geleitet. Diese Brennkammer 2 wird mit einem Brennstoff 9 befeuert, der an sich gasförmig und/oder flüssig sein kann, je nach Art des in dieser Brennkammer eingesetzten Brenners. Brennkammern werden normalerweise mit einem Diffusionsbrenner betrieben; diese Brennkammer 2 soll indessen vorzugsweise mit einem Vormischbrenner betrieben werden, wie er in EP-B1-0 321 809 beschrieben ist, wobei dieser Erfindungsgegenstand integrierender Bestandteil dieser Beschreibung ist. Die Heissgase 10 aus der HD-Brennkammer 2 beaufschlagen zunächst die HD-Turbine 3. Dabei ist diese Turbine 3 so ausgelegt, dass hier eine minimale Expansion stattfindet, dergestalt, dass deren Abgase 11 eine verhältnismässig hohe Temperatur aufweisen. Stromab dieser Turbine 3 befindet sich die ND-Brennkammer 4, welche im wesentlichen die Form eines ringförmigen Zylinders hat. Diese Brennkammer 4 weist keine herkömmliche Brennerkonfiguration auf: Die Verbrennung geschieht hier durch Selbstzündung eines in die heissen Abgase 11 eingedüsten Brennstoffes 13. Ausgehend davon, dass es sich hier um einen gasförmigen Brennstoff, also beispielsweise Erdgas, handelt, müssen für eine Selbstzündung gewisse unabdingbare Voraussetzungen erfüllt werden: Zunächst ist davon auszugehen, dass eine Selbstzündung nach vorliegender Konstellation erst bei einer Temperatur um die 1000°C vonstatten geht, und dies soll auch bei Teillastbetrieb der Fall sein. Diese Forderung kann aber gewichtig eine optimale thermodynamische Auslegung des Gasturbinenprozesses negativ tangieren. Deshalb darf aus thermodynamischen Gründen das Druckverhältnis der HD-Turbine 3 nicht so weit angehoben werden, dass sich daraus eine niedrige Austrittstemperatur von beispielsweise ca. 500°C ergibt, wie sie für einen sicheren Betrieb einer nachgeschalteten konventionellen Brennkammer vorteilhaft wäre. Um eine gesicherte Selbstzündung in der ND-Brennkammer 4 auch bei ungünstigen Bedingungen zu gewährleisten, kann der in die ND-Brennkammer 4 eingedüste gasförmige Brennstoff 13 mit einer Menge eines anderen Brennstoffes 12, der eine niedrige Zündtemperatur aufweist, gemischt werden. Als Hilfsbrennstoff eines gasförmigen Basisbrennstoffes eignet sich hier Oel vorzüglich. Dieser flüssige Hilfsbrennstoff 12, entsprechend eingedüst, fungiert sozusagen als Zündschnur, und ermöglicht auch dann eine Selbstzündung in der ND-Brennkammer 4, wenn die Abgase 11 aus der HD-Turbine 3 eine Temperatur aufweisen, die unterhalb jener optimalen Selbstzündtemperatur liegt. Die in der ND-Brennkammer 4 bereitgestellten Heissgase 14 beaufschlagen anschliessend die ND-Turbine 5. Das kalorische Potential der Abgase 15 aus dieser ND-Turbine 5 kann weitergehend genutzt werden, beispielsweise durch Nachschaltung eines Dampfkreislaufes 7 zur Bereitstellung einer Dampfmenge zum Betreiben einer Dampfturbine und/oder Vorwärmung des Einspritzwassers.

[0014] Insbesondere bei einer solchen Konfiguration ist die thermische Belastung der Brennkammern sowie der Turbinen recht hoch, weshalb die Kühlung auch äusserst effizient ausfallen muss. Dabei muss gleichzeitig noch berücksichtigt werden, dass Gasturbogruppen dieser Hochleistungsstufe im allgemeinen wenig Luft zu Kühlzwecken freistellen können, sollen der Wirkungsgrad und die spezifische Leistung nicht markant sinken. Die Kühlung der thermisch belasteten Aggregate kann aber vorteilhaft durch Dampf geschehen, der bei dem hier nachgeschalteten Dampfkreislauf 7 ohnehin in genügender Menge und Qualität vorhanden ist. Ist ein solcher Dampfkreislauf nicht vorhanden, so lässt sich die hierzu benötigte Dampfmenge leicht anhand einer abgezweigten Teilmenge der Abwärme aus der letzten Turbine bereitstellen.

[0015] Die hochkalorischen Abgase 15 durchströmen einen Abhitzedampferzeuger 17 , in welchem in Wärmetauschverfahren Dampf erzeugt wird, der das Arbeitsmedium für eine nachgeschaltete mit einem Generator 20 gekoppelten Dampfturbine 18 bildet. Die dann thermisch ausgenutzten Abgase strömen als Rauchgase 19 vorzugsweise über eine nicht dargestellte Reinigungsanlage ins Freie. Möglich ist auch eine Weiternutzung dieser Rauchgase zu anderen Zwecken. Selbstverständlich ist es auch möglich, in Wirkverbindung mit dem Abhitzedampferzeuger 17 eine Zwischenüberhitzung vorzunehmen. Der entspannte Dampf 21 aus der genannten Dampfturbine 18 wird in einem wasser- oder luftgekühlten Kondensator 22 kondensiert. Durch eine stromab des Kondensators 22 angeordnete Förderpumpe 23 wird das Kondensat 24 in einen Speisewasserbehälter und Entgaser 25 gefördert. Durch Entnahme einer bestimmten Menge Anzapfdampf aus der Dampfturbine 18 kann das zersprühte Kondensat 24 auf Siedezustand gebracht und entgast werden. Eine weitere nachgeschaltete Förderpumpe 26 pumpt dann das Wasser 27 durch den Abhitzedampferzeuger 17. Zuerst durchläuft das Wasser 27 eine ND-Dampferzeugung 17a, anschliessend strömt dieser Dampf in eine Kesseltrommel 28. Im geschlossenen Kreislauf ist die Kesseltrommel 28 mit einer MD-Dampferzeugung 17b verbunden, dergestalt, dass hierein ein Sattdampf 29 entsteht, der dann durch eine HD-Dampferzeugung 17c beschickt wird, in welcher die qualitative Dampfbereitstellung für die Beaufschlagung der Dampfturbine 18 geschieht.

[0016] Zur Kühlung der Aggregate der Gasturbogruppe wird aus der Kesseltrommel 28 eine überschüssige Dampfmenge 30 entnommen. Durch Regelorgane lässt sich die benötigte Dampfmenge dann zu den einzelnen Aggregate führen. In der Figur sind zwei Kühldampfstränge 31, 32 ersichtlich. Mit der Dampfmenge 32 wird zunächst die HD-Turbine 3 im geschlossenen Strömungspfad, d.h. ohne Zumischung, gekühlt, anschliessend wird mit dieser Dampfmenge die Brennkammer 2, in Gleich- oder Gegenstrom zur Heissgasströmung, gekühlt. Nach abgeschlossener Kühlung wird die Dampfmenge dann an geeigneter Stelle, vorzugsweise innerhalb des letzten Drittels dieser Brennkammer der Heissgasströmung zugemischt. Damit lässt sich ohne Beeinflussung der auf minimierte NOx-Emissionen ausgelegten Verbrennung eine maximierte Leistungssteigerung der Anlage erreichen. Darüber hinaus geschieht die Eindüsung thermodynamisch und strömungstechnisch an optimaler Stelle, wobei ferner mit dieser Vorkehrung eine gewichtige Reduzierung der aus der Ausbrandzone verbleibenden CO- und UHC-Emissionen erreicht wird. Die andere Dampfmenge 31 wird zu gleichen Kühlzwecken, in analoger Weise zum oben beschriebenen Kühlungspfad für die ND-Brennkammer 4 und ND-Turbine 5 eingesetzt. Die Entnahme der hier benötigte Kühldampfmenge ist nicht auf die Kesseltrommel 28 beschränkt.

[0017] Die zu kühlenden Aggregate 2, 3, 4, 5 lassen sich auch, im Gegensatz zu den in der Figur gezeigten Serieschaltungen, individuell kühlen, wobei dann die Zumischung der einzelnen Dampfmenge in die Heissgasströmungen von Fall zu Fall vorgenommen werden muss. Grundsätzlich ist hier eine individuelle Zumischung der zu Kühlzwecken eingesetzten Dampfmenge in die jeweilige Brennkammer, abströmungsseitig der Ausbrandzone, auch möglich. Bei individueller Kühlung der thermisch hochbelasteten Aggregate der Gasturbogruppe lassen sich sodann verschiedene Dampfmenge zusammenfassen, bevor sie in die Brennkammern 2, 4 eingeleitet werden.

Bezugszeichenliste

[0018] 

1

Verdichtereinheit

2

Hochdruck-Brennkammer, HD-Brennkammer

3

Hochdruck-Turbine, HD-Turbine

4

Niederdruck-Brennkammer, ND-Brennkammer

5

Niederdruck-Brennkammer, ND-Brennkammer

6

Generator

7

Dampfkreislauf

8

Verdichtete Luft

9

Brennstoff

10

Heissgase

11

Heisse Abgase

12

Hilfsbrennstoff

13

13 Brennstoff

14

Heissgase

15

15 Abgase

16

Ansaugluft

17

Abhitzedampferzeuger

17a

Niederdruck-Dampferzeuger

17b

Mitteldruck-Dampferzeuger

17c

Hochdruck-Dampferzeuger

18

Dampfturbine

19

Rauchgase

20

Generator

21

Abdampf, Entspannter Dampf

22

Kondensator

23

Förderpumpe

24

Kondensat

25

Speisewasserbehälter und Entgase

26

Förderpumpe

27

Wasser

28

Kesseltrommel

29

Sattdampf

30

Kühldampf

31

Kühldampfpfad

32

Kühldampfpfad

Ansprüche

1. Verfahren zur Kühlung einer Gasturbogruppe mit einer Dampfmenge, wobei die Gasturbogruppe im wesentlichen aus einer Verdichtereinheit, mindestens einer Brennkammer mindestens einer Turbine und mindestens einem Generator besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zur Kühlung der Brennkammer (2, 4) eingesetzte Dampfmenge (31, 32) nach erfolgten Kühlungsprozess in die Heisgasströmung der Brennkammer, abströmungsseitig der dort wirkenden Ausbrandszone zugemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dass die eingesetzte Dampfmenge (31, 32) zuerst eine Turbine (3, 5) im geschlossenen Strömungspfad und anschliessend im offenen Strömungspfad eine Brennkammer (2, 4) kühlt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu Kühlzwecken eingesetzte Dampfmenge (31, 32) einem der Gasturbogruppe nachgeschalteten Dampfkreislauf (7) entnommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu Kühlzwecken eingesetzte Dampfmenge (31, 32) einem zum Dampfkreislauf (7) gehörenden Abhitzedampferzeuger (17) entnommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu Kühlzwecken eingesetzte Dampfmenge (31, 32) einer mit dem Abhitzedampferzeuger (17) in Wirkverbindung stehenden Kesseltrommel (28) entnommen wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumischung der eingesetzten Dampfmenge (31, 32) nach erfolgter Kühlung innerhalb des letzten Drittels der Brennkammer (2, 4) vorgenommen wird.

Zeichnung